KR20030081682A

KR20030081682A - 압력감응도료의 검정장치

Info

Publication number: KR20030081682A
Application number: KR1020020020027A
Authority: KR
Inventors: 이창호; 성형진
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-22
Also published as: KR100418803B1

Abstract

압력과 빛의 강도간의 상호 관계식의 계수를 결정할 수 있도록, PSP 샘플에 가해지는 표면 압력을 압력 탭을 통하여 검출하며, 이때 PSP 샘플 표면으로부터 측정되는 빛의 강도를 동시에 검출할 수 있도록 하는 압력감응도료의 검정장치를 제공할 목적으로,

외부의 빛을 차단하는 시험장 내부에서, 표면에 압력감응도료가 도포되며, 일측에는 다수개의 압력 탭이 설치되는 충돌판과; 상기 충돌판 표면에 도포된 압력감응도료에 푸른색광의 빛을 조사하는 광원과; 상기 충돌판 표면에 도포된 압력감응도료를 향하여 일정압의 에어를 분사하는 에어분사수단과; 상기 충돌판 표면에 도포된 압력감응도료에서 여기된 빛을 검출하기 위한 영상처리수단과; 상기 충돌판에 설치되는 압력 탭과 튜브로 연결되는 스캐너와; 상기 스캐너로부터 입력되는 압력신호를 전압신호로 변환하는 압력전압 변환기와; 상기 압력전압 변환기로부터의 전압신호와 상기 영상처리수단으로부터의 빛의 강도신호를 수신하여 압력에 대한 빛의 강도 상호 관계식의 계수를 연산하는 컨트롤러를 포함하는 압력감응도료의 검정장치를 제공한다.

Description

압력감응도료의 검정장치{A CALIBRATION DEVICE OF PRESSURE SENSITIVE PAINT}

본 발명은 압력감응도료의 검정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압력감응도료의 표면 가해지는 압력과 빛의 강도간의 상호 관계식의 계수를 결정할 수 있도록, PSP 샘플에 가해지는 표면 압력을 압력 탭을 통하여 검출하며, 이 때의 PSP 샘플 표면으로부터 측정되는 빛의 강도를 동시에 검출할 수 있도록 하는 압력감응도료의 검정(檢定)장치에 관한 것이다.

공기역학적 관점에서, 비행기나 자동차와 같이 공기 중에서 이동하는 물체 표면의 압력 분포는 그 물체의 성능과 직결되므로 전 표면에 걸친 정확한 압력 측정이 필수적이다.

지금까지는 풍동실험에서 압력 측정에 사용되어온 가장 보편적인 방법은 모형 표면에 압력 탭을 뚫고 호스를 연결해 한 지점씩 압력을 측정하거나, 마이크 등과 같은 압력측정센서를 여러 지점 설치하여 그를 통해 압력을 측정하는 것이었다.

이러한 방법들은 각 지점에서 정확한 압력 측정이 가능하지만 그 정보가 불연속적이라는 단점이 있으며, 압력 탭이나 센서를 설치함에 있어서도 모형 표면을 가공해야 하므로 모형의 구조적 특성이나 유체역학적 특성의 변화가 초래될 가능성이 있다.

이와 같은 단점을 가진 기존의 압력 측정 방법들에 대한 대안으로 비교적 최근에 개발되기 시작한 방법이 바로 PSP(압력감응도료; Pressure-Sensitive Paint, 산소에 의해 빛의 강도가 바뀌는 형광물질, 이하, PSP라 명명함)를 이용한 압력 측정 방법이다.

상기 PSP의 개발은 산소분자에 의해 빛의 강도가 감소하는 형광물질의 발견으로부터 시작되었으며, 이를 이용한 압력측정의 기본원리는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 모형 표면에 얇게 코팅된 PSP로부터 방사되는 빛의 강도가 그 표면의 압력에 반비례한다는 원리로부터 나온다. 실제로 모형에 PSP를 코팅한 뒤 적당한 강도와 파장(λex)의 빛을 쬐어주면, PSP로부터 다른 파장(λem)의 빛이 나오는데 그 빛의 강도를 측정하면 압력을 측정할 수 있다.

이러한 PSP를 이용한 압력 측정의 원리를 보다 구체적으로 살펴보면, 형광물질이 광원(light source)으로부터 빛을 받으면 에너지가 기저상태(ground state)에서 여기상태(excited state)로 에너지가 높아지게 된다. 이 여기상태(excitedstate)의 형광물질은 다시 에너지를 발산하여 다시 기저상태(ground state)로 돌아가는데, 이때 에너지가 발산되는 경로는 방사(radiation), 열전달(nonradiation), 그리고 산소와의 결합(oxygen quenching)을 통하여 이루어진다.

따라서 표면 압력이 증가하면 모형 표면부의 산소의 농도(concentration)가 증가하므로 형광물질이 산소와 결합을 많이 하게 되기 때문에 빛의 강도가 떨어진다. 즉, 형광물질이 발하는 빛의 강도는 표면의 산소 압력에 반비례하고 공기 중에서 산소의 분포가 일정하다고 하면 빛의 강도는 바로 표면 압력의 함수이고, 그 관계식은, 수학식 1에서와 같이 표현이 된다.

여기서 I₀와 P₀는 풍동이 꺼져 있을 때(wind-off)의 빛의 강도와 압력(일반적으로 대기압)을 나타낸다. 즉 풍동이 꺼져 있을 때(wind-off)와 켜져 있을 때(wind-on)의 표면에서의 빛의 강도의 비로부터 압력을 계산해 낼 수 있는 것이다.

이러한 PSP을 이용한 압력 측정의 원리를 실제 자동차 압력장 측정 등에 응용하기 위해서는 먼저 검정(calibration)과정을 거쳐야 한다. 즉, 알고 있는 압력에서의 빛의 강도를 측정하여 관계식의 계수를 결정하여야 하는 것이다.

따라서 상기한 바와 같은 PSP를 이용한 압력 측정의 원리를 응용하여 실제 3차원의 복잡한 형상을 갖는 자동차 모형의 압력장을 측정하기 위해서는, 실제 검출되어 알고 있는 압력에서의 빛의 강도를 정확하게 검정할 수 있도록 해주는 검정장치가 필요하며, 본 발명의 목적 또한, 압력과 빛의 강도간의 상호 관계식의 계수를 결정할 수 있도록, PSP 샘플에 가해지는 표면 압력을 압력 탭을 통하여 검출하며, 이때 PSP 샘플 표면으로부터 측정되는 빛의 강도를 동시에 검출할 수 있도록 하는 압력감응도료의 검정장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 적용되는 압력감응도료의 에너지 발산의 원리도이다.

도 2는 본 발명에 따른 압력감응도료의 검정장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 압력감응도료의 검정장치의 내부 사시도이다.

도 4는 본 발명에 적용되는 압력감응도료의 특성 스팩트럼 선도이다.

상기한 바와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 압력감응도료의 검정장치는 외부의 빛을 차단하는 시험장 내부에서, 표면에 PSP가 도포되며, 일측에는 다수개의 압력 탭이 설치되는 충돌판과; 상기 충돌판 표면에 도포된 PSP에 푸른색광의 빛을 조사하는 광원과; 상기 충돌판 표면에 도포된 PSP를 향하여 일정압의 에어를 분사하는 에어분사수단과; 상기 충돌판 표면에 도포된 PSP에서 여기된 빛을 검출하기 위한 영상처리수단과; 상기 충돌판에 설치되는 압력 탭과 튜브로 연결되는 스캐너와; 상기 스캐너로부터 입력되는 압력신호를 전압신호로 변환하는 압력전압 변환기와; 상기 압력전압 변환기로부터의 전압신호와 상기 영상처리수단으로부터의 빛의 강도신호를 수신하여 압력에 대한 빛의 강도 상호 관계식의 계수를 연산하는 컨트롤러를 포함하며,

상기 광원은 필터링을 통해서 400nm를 발하게 하는 백열등(incandescent light) 또는 필터링을 필요로 하지 않는 레이저(laser) 또는 발광 다이오드(light-emitting diode) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하고,

상기 에어분사수단은 압력공급원으로부터 공급되는 에어의 유동 분사를 위한 노즐과; 상기 노즐에 일정압력의 에어를 공급하기 위한 압력 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 하며,

영상처리수단은 저역통과 필터(low-pass filter)를 부착한 CCD 카메라로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면, 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 압력감응도료의 검정장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 압력감응도료의 검정장치의 내부 사시도로서, 본 발명에 따른 압력감응도료의 검정장치의 구성은, 외부의 빛을 차단하는 시험장(1) 내부에서, 일 표면에 PSP(3)가 도포되며, 일측에는 다수개의 압력 탭(5)이 부설되는 충돌판(7)이 구비된다.

또한, 상기 충돌판(7) 표면에 도포된 PSP(3)에 푸른색광의 빛을 조사하는 광원(9)이 충돌판(7)을 향하여 배치되며, 상기 충돌판(7) 표면에 도포된 PSP(3)를 향하여 일정압의 에어를 분사하는 에어분사수단이 구비된다.

이 때, 상기 광원(9)은 필터링을 통해서 400nm를 발하게 하는 백열등 (incandescent light) 또는 필터링을 필요로 하지 않는 레이저(laser) 또는 발광 다이오드(light-emitting diode) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하나, 본 실시예에서는 발광 다이오드를 적용한다.

그리고, 상기 에어분사수단은 압력공급원(11)으로부터 공급되는 에어의 유동분사를 위한 노즐(13)이 상기 충돌판(7)에 대향하여 거리조절이 가능하도록 트레버스(33;TRAVERSE)를 통하여 설치되며, 상기 노즐(13)에 일정압력의 에어를 공급하기 위한 압력 컨트롤러(15)가 공급라인(17)의 일측에 압력 게이지(19)와 함께 설치된다.

또한, 상기 충돌판(7) 표면에 도포된 PSP(3)에서 상기 광원(9)으로부터 조사되는 빛에 의해 형광입자가 여기되어 발하는 빛을 검출하기 위한 영상처리수단이 일측에 구비되는데, 상기 영상처리수단은 저역통과 필터(23;low-pass filter)를 부착한 흑백의 CCD 카메라(21)로 이루어지며, 여기된 빛의 강도를 검출하게 된다.

그리고 상기 충돌판(7)에 설치되는 다수개의 압력 탭(5)과 튜브(25)를 통하여 스캐너(27)가 연결되며, 상기 스캐너(27)는 압력전압 변환기(29)와 연결되어 상기 스캐너(27)로부터의 순차적 압력신호를 전압신호로 변환하게 된다.

또, 상기 압력전압 변환기(27)로부터의 전압신호와 상기 CCD 카메라(21)로부터의 빛의 강도신호는 컨트롤러(31)에 입력되며, 이 컨트롤러(31)는 알고 있는 압력에 대하여 빛의 강도와의 상호 관계식의 계수를 연산하도록 이루어진다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 압력감응도료의 검정장치의 작용 및 검정방법은 PSP(3)가 코팅된 충돌판(7)의 표면에 압력 컨트롤러(15)에 의해 일정압력으로 조절된 에어가 노즐(13)을 통하여 분사되고, 상기 광원(9)으로부터 푸른색의 빛을 쬐주면, PSP(3)내의 형광물질이 여기되어 붉은색의 빛이 방사되어 나온다. 이를 저역통과 필터(23;low-pass filter)를 통해 CCD 카메라(21)로 촬영하여 영상처리(image processing)를 하면 빛의 강도에 따른 압력분포를 측정할 수 있게 된다.

여기서 상기 PSP(3)내의 형광물질이 광원으로부터 여기(excitation)되는 빛의 강도와 방사(emission)하는 빛의 강도를 파장(wavelength)에 대해서 그려보면 도 4에서 도시한 바와 같다.

이 때, 형광물질이 여기(excitation) 되는 빛의 강도의 최고치는 약 400nm에서 일어나고, 그 다음은 500nm, 540nm에서 일어난다. 반면에 형광입자가 방사(emission)하는 빛의 최고강도는 650nm에서 일어나기 때문에 필터링 (filtering)을 통해서 형광입자가 발하는 순수한 빛의 강도를 측정하게 된다.

즉, 각각의 형광입자가 발하는 빛의 강도(650nm)는 광원(9)으로부터 나오는 빛(400nm)과 파장이 다르기 때문에 상기한 저역통과 필터(23;low-pass filter)를 통하거나 적색필터(red filter)를 통하여 카메라(21)에 영상화한다.

여기서 빛의 강도를 영상화하므로 흑백 CCD 카메라를 사용하는데 일반적으로는 상용 비디오 카메라(conventional video)와 과학용 디지털 카메라(scientific grade digital camera)가 사용되어진다.

또한, 빛의 강도를 풍동이 꺼진 상태와 켜진 상태 각각에 대한 시간 평균값의 비를 구해야 하므로 실험기간동안 광원의 강도는 일정해야 한다.

이와 같이, CCD 카메라(21)를 통하여 입력되는 영상데이터는 통상의 영상처리작업을 통하여 컨트롤러(31)에서 디지털 데이터로 저장하게 된다.

한편, 상기 압력 탭(5)에서 튜브(25)를 통하여 스캐너(27)로 입력되는 압력신호는 압력전압 변환기(29)를 통하여 전기적 신호로 상기 컨트롤러(31)에 입력되며, 상기 컨트롤러(31)에서는 알고 있는 압력에서의 디지털 데이터화 된 빛의 강도를 맵핑(MAPPING)하여 관계식의 계수를 결정하는 것이다.

위와 같은 검정과정을 거쳐 빛의 강도와 압력의 관계식이 구해지면, 실제 압력 측정에 들어가게 되는데, 자동차 모형과 같은 3차원 형상의 물체의 압력분포는 측정이 복잡할뿐더러 추가적인 광원과 카메라를 필요로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압력감응도료의 검정장치에 의하면, PSP 샘플에 가해지는 표면 압력을 압력 탭을 통하여 검출함과 동시에, 이 때의 PSP 샘플 표면으로부터 측정되는 빛의 강도를 검출하여 실제 검출되어 알고 있는 압력에서의 빛의 강도를 정확하게 검정할 수 있도록 해주며, 이러한 검정장치를 통하여 압력 측정에 있어 광학적인 접근을 가능하게 하며, 동시에 전 표면에 대한 연속적인 압력분포 데이터를 얻는 것이 가능하게 하는 등의 효과가 있다.

Claims

외부의 빛을 차단하는 시험장 내부에서, 표면에 압력감응도료가 도포되며, 일측에는 다수개의 압력 탭이 설치되는 충돌판과;

상기 충돌판 표면에 도포된 압력감응도료에 푸른색광의 빛을 조사하는 광원과;

상기 충돌판 표면에 도포된 압력감응도료를 향하여 일정압의 에어를 분사하는 에어분사수단과;

상기 충돌판 표면에 도포된 압력감응도료에서 여기된 빛을 검출하기 위한 영상처리수단과;

상기 충돌판에 설치되는 압력 탭과 튜브로 연결되는 스캐너와;

상기 스캐너로부터 입력되는 압력신호를 전압신호로 변환하는 압력전압 변환기와;

상기 압력전압 변환기로부터의 전압신호와 상기 영상처리수단으로부터의 빛의 강도신호를 수신하여 압력에 대한 빛의 강도 상호 관계식의 계수를 연산하는 컨트롤러와;

를 포함하는 압력감응도료의 검정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 광원은

필터링을 통해서 400nm를 발하게 하는 백열등(incandescent light) 또는 필터링을 필요로 하지 않는 레이저(laser) 또는 발광 다이오드(light-emitting diode) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 압력감응도료의 검정장치.
청구항 1에 있어서, 상기 에어분사수단은

압력공급원으로부터 공급되는 에어의 유동 분사를 위한 노즐과;

상기 노즐에 일정압력의 에어를 공급하기 위한 압력 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력감응도료의 검정장치.
청구항 1에 있어서, 영상처리수단은

저역통과 필터(low-pass filter)를 부착한 CCD 카메라로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력감응도료의 검정장치.